Tuesday, September 30, 2008

不怕髒的仿生材料

‧科學人 2008/09/16
蓮花出色的除塵能力,激發出多項自潔及抗菌技術,應用蓮花效應製作出的商品,不管沾上什麼髒污都不怕。


【撰文/佛布茲(Peter Forbes);翻譯/甘錫安】

重點提要

■荷葉表面的細小突起可使蠟質表面具有極強的排水性,又稱為超疏水性。雨滴很容易在葉面上滾動,並帶去塵土。

■研究人員已開發出人造的自潔材料,其中有些材料是運用「蓮花效應」,有些則運用與之相反的超親水性,以及觸媒化學反應。

■未來的產品可能結合兩種與水親和性有關的特性,或採用可在兩者間互相轉換的材質,藉以控制微流體元件中的液體流動。



(照片提供/科學人)

德國波昂大學的巴斯洛特(Wilhelm Barthlott)發現並開發了「蓮花效應」,他夢想著可自動清潔的曼哈頓城市:只要少許雨水就可洗淨摩天大樓的窗戶和外牆,就像出淤泥而不染的蓮花一樣。另外,他的願景還包括了用新布料製造的帳篷和大營帳,同樣不需人類動手清洗,就可維持清潔。把目標定在未來物品極少需要清洗,甚至不需清洗的科學家,可不只他一個。在日本,科技專家正在開發自動除臭和消毒的表面,可用於浴室和醫院等場所。美國麻省理工學院的魯布納(Michael Rubner)和科恩(Robert Cohen)也在構思類似的技術,來防止浴室的鏡子起霧,以及控制微流體「單晶片檢驗室」(液體可在晶片裡的微通道流動)。目前已經有不怕番茄醬、芥末醬、紅酒和咖啡玷污的襯衫、上衣、裙子和長褲等產品出現。一場自潔表面的革命正在逐步展開。


超疏水性不沾塵埃

自潔材料的故事開始於大自然中聖潔的蓮花(學名為Nelumbo nucifera),這種多年生的水中植物非常亮麗優雅,在印度、緬甸、中國和日本等國的宗教與文化中,扮演著相當重要的角色。蓮花受到崇敬是因為它格外純潔,雖然生長在污濁的水中,但它的葉子會挺出水面,而且似乎永遠不會髒。荷葉上的水珠也顯得特別閃亮,與其他植物相比,雨水更容易洗去荷葉上的塵土。


最後這項特性引起了巴斯洛特的注意,1970年代,掃描式電子顯微鏡的潛力推了他一把。電子顯微鏡於1965年商業化,可提供奈米尺度的清晰影像,在這麼高的放大倍率下,少許灰塵就可能破壞整個畫面,因此必須清潔樣本,但巴斯洛特發現有些植物似乎永遠不需要清洗,其中的佼佼者就是蓮花。


巴斯洛特發現這種效果是源於荷葉表面的兩種特性:葉片的蠟質和分佈在表面的細小突起(大小約數微米)。根據基礎物理學,他知道蠟質可使葉片產生疏水性,在這類材質上,水滴會聚集成珠狀,把與材質接觸的面積縮到最小(請參閱70頁〈蓮花物理學〉)水滴表面與材料表面間的夾角小於30度;而在親水性材質上,水會擴散開來,盡量加大接觸面積,接觸角大於90度。


除此之外,他還發現葉片表面無數的突起可強化這個效應,使蓮花表面成為超疏水性,接觸角超過150度,水在荷葉上會形成幾近球形的水珠,接觸面積極小,水珠在葉面上很容易滾動,就像滾珠軸承一樣。水在突起上就像人躺在釘床上一樣,在突起周圍的空隙中,封在水與葉片表面間的空氣進一步提高了接觸角。1940年代,凱西和巴克斯特首先提出了凱西–巴克斯特方程式(Cassie-Baxter equation),可描述這項效應。


巴斯洛特發現,塵土同樣只會接觸到荷葉的突起頂端,雨水可輕易潤濕塵土,把塵土捲離葉片。微小突起可加強清潔效果,這項發現實在出人意料。一般傳統看法認為,要保持東西乾淨就得維持平滑,我在媽媽的圍裙上也體會到「角落跟縫隙最容易藏污納垢」,但仔細研究蓮花之後卻發現,這種看法並不完全正確。


巴斯洛特最主要的工作是研究植物,雖然他觀察到細小突起是如何維持葉面潔淨,但一開始並未想到這有商業潛力,到了1980年代,他才想到如果能製造出粗糙的蠟質表面,這種人工的蓮花效應將有許多應用。後來,在表面上製作細小突起區域、使表面能夠自潔的構想成為他的專利,並將「蓮花效應」註冊成商標。


把蓮花效應運用在物體上製作超疏水性表面並不容易,疏水性材料的特色就是排斥其他材料,但這種排斥其他東西的材料卻必須附著在物體上。儘管如此,1990年代初,巴斯洛特仍製作出「蜂蜜湯匙」,可讓蜂蜜流下而不會附著在湯匙上,這種湯匙有自製的矽酮表面,在微米尺度下,矽酮表面是凹凸不平的。這個產品終於讓幾家大型化工公司相信這類技術確實可行,他們的研究能力很快就發掘出更多應用。目前最著名的是供建築物使用的StoLotusan外牆漆,1999年由德國的跨國公司Sto AG推出,獲得相當大的好評。「蓮花效應」目前在德國已是眾所周知,2007年10月,《德國經濟週刊》(Wirtschaftswoche)將它列入德國近年來最重要的50項發明之中。


餐廳災難不再出現

只要說到「自動清潔」,許多人就會直覺加上「衣物」兩個字。我們不會常常清理房屋外觀,但會常常洗衣服。經過初步測試後,自潔布料迅速普及,其中以Nano-Care最先開始。


Nano-Care是一種布料表面塗料,由發明家及企業家索恩(David Soane)所開發,目前則由索恩的奈米織品(Nano-Tex)公司生產。想想看水蜜桃表面的絨毛,拿水蜜桃放在水龍頭下沖水,就可看到Nano-Care效應。Nano-Care的「絨毛」是附著在棉線上的細小短毛,這種短毛非常細小(小於荷葉表面突起高度的千分之一),相比之下,棉線就像龐大的樹幹。


奈米織品的主要競爭對手是瑞士的薛勒紡織(Schoeller Textil AG),該公司將這項技術稱為奈米球(NanoSphere)。這項技術是在衣物纖維加上奈米尺度的矽石或聚合物微粒,這些微粒就相當於荷葉表面的突起。


由於出現了許多未經測試就宣稱自己是奈米科技的產品,因此,針對這類新發明的自潔衣物,標準機構已著手制定嚴謹的測試程序。2005年10月,為全球工商業提供測試與認證的德國海恩史坦研究所宣布,奈米球織品是第一款通過全項測試的布料,測試內容包括疏水性,還有布料經過一般洗滌程序、磨損、撕毀後維持效用的能力。在我自己做的測試中,奈米球布料樣品展現了令人驚訝的能力,衣物兇手中最可怕的幾項,如油膩的番茄醬、咖啡、紅酒污漬等,它都不怕。


容易清潔的衣物現在已經相當普遍,但大營帳、遮雨篷和船帆其實才是蓮花效應塗料最大的市場(以銷售金額而論),沒有人真心喜歡清洗這類大型室外用具。

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